CN113405646A - 一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法 - Google Patents
一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及管线安防监测技术领域，且公开了一种基于双通道φ‑OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，包括以下步骤：S1、使用HDPE套管包裹多芯单模光缆，并将其铺设在管道以及场站待监测区域；S2、通过管路设计搭建分布式光纤传感系统；本发明针对目前燃气管网运行中的场站和管线双重安防要求，通过双通道完成场站双向管网监测以及运用光纤传感分布式特性实现单个通道针对不同场景(场站、燃气管道)、不同区域的不同安防事件的监测、定位和识别；采集的数据信息可以通过联动模块调用其他传感设备进行相应操作，仅能保障已有传感设备的兼容接入，又能通过可信接口实现数据上报至其他安防平台，满足智能管网安全监测的需要。
Description
技术领域
本发明涉及管线安防监测技术领域，具体为一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法。
背景技术
随着城市建设不断发展以及地埋燃气管线不断铺设，燃气管道在城市地下广泛分布。基于燃气管道，尤其是城市区域的次高压管线的安全性考虑，一旦由于机械挖掘、人工破坏、地面施工等外在管道损伤行为造成管道破坏或燃气泄漏，就会造成巨大的人员生命和财产损失。此外，次高压管线加压场站周界安防也是燃气安防重要环节。传统的管线安全管控主要依靠沿线巡逻队员的人工定时巡查，无法做到24小时无间断的安全保护；管道主要监控点布设摄像机，仍需要安防人员值班查看；对于长距离燃气管线安防问题，传统振动传感器需要地埋铺设，供电以及监测点布设都存在施工量大、静电、漏报等问题。而对于场站周界安防，传统的泄漏电缆监测、红外对射等方法存在误报率高、带电工作等问题，不能有效满足场站防静电、精确检测的要求。针对以上燃气管网运行要求，亟需一种长距离分布式无源振动监测识别方法实现管道危险作业及场站入侵的自动报警与防护，保障管网设施运行安全。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，解决了上述背景技术中所存在的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，包括以下步骤：
S1、使用HDPE套管包裹多芯单模光缆，并将其铺设在管道以及场站待监测区域；
S2、通过管路设计搭建分布式光纤传感系统；
S3、双通道多组光脉冲回波信号经矩阵翻转、拼接、分割为i组不同矩阵，设计线性相位FIR数字滤波器组；
S4、选取6种振动等事件采集相关数据，并标注，经数据处理以及二维凯塞窗函数过滤噪声、选取特征频率后经二维傅里叶反变换生成最终图像数据集；
S5、通过特征提取网络、分类器、损失函数，使用反向传播方法训练模型；
S6、新进数据经以上信号处理和模式识别步骤识别得到振动事件以及振动位置，并传至联动系统模块，由系统联动模块调取摄像机同步截取图像对比入库。
优选的，所述步骤S1中，被HDPE套管包裹的多芯单模光缆铺设在待监测管道的正上方30cm处，距离地表约1m处，覆土填埋，预留光缆井中的光缆用塑料泡沫、海绵做好防震；将多芯单模光缆铺设在场站四周围栏上或围栏土层下方10cm处，一端接入分布式光纤传感系统，另一端连接管道光缆。
优选的，所述步骤S2中搭建分布式光纤传感系统具体为：泵浦激光器通过G.652.D光缆向外发出相参激光；时钟控制模块连接控制声光调制驱动器；有声光调制驱动器控制声光调制器移频；掺铒光纤放大器提高调制光功率；后向瑞利散射光分别返回到光电转换设备的通道1和通道2；光电转换设备将光信号转换为模拟信号。
优选的，所述步骤S3，采集信号处理双通道m组光脉冲回波经矩阵翻转、拼接、分割为i组不同矩阵；根据不同检测区域实际情况，设计对应区域满足对称条件的m-1阶线性相位FIR数字型贷通滤波器组，将相应矩阵过滤波器组。
优选的，所述步骤S4，振动数据采集处理，根据燃气安防实际需求，选取6中振动等时间采集相关数据，并标注；将采集数据过步骤S4后，再经二维傅里叶变换，根据振动特性设计二维凯塞窗函数过滤噪声、选取特征频率后经二维傅里叶反变换生成数字图像，得到最终数据集。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，具备以下有益效果：
本发明针对目前燃气管网运行中的场站和管线双重安防要求，通过双通道完成场站双向管网监测以及运用光纤传感分布式特性实现单个通道针对不同场景(场站、燃气管道)、不同区域的不同安防事件的监测、定位和识别；采集的数据信息可以通过联动模块调用其他传感设备进行相应操作，仅能保障已有传感设备的兼容接入，又能通过可信接口实现数据上报至其他安防平台，满足智能管网安全监测的需要。
附图说明
图1为本发明的概要示意图；
图2为本发明中振动信号模式识别流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本发明提供一种技术方案：一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，包括以下步骤：
S1、光纤铺设：
(1)将多芯G.652.D单模光缆防放入HDPE套管中铺设在次高压管道正上方约30cm处、距离地表约1m处，覆土填埋，沿线预留光缆井中光缆应放置于井底，避免悬空，光缆及光纤接续盒用塑料泡沫、海绵做好防震；
(2)、将多芯G.652.D单模光缆铺设在场站四周围栏上或围栏土层下方10cm处，一端接入分布式光纤传感系统，另一端连接管道光缆
S2、搭建分布式光纤传感系统，采用泵浦激光器作为种子光源，通过G.652.D光缆向外发出相参激光。通过时钟控制模块向声光调制驱动器下发控制指令，由声光调制驱动器完成对声光调制器移频控制。调制光通过掺铒光纤放大器提高光功率，后经过光纤耦合器将相参光分为两束各经环形器注入两根G.652.D光缆，对应监测场站不同方向、不同区域场景的振动事件。后向瑞利散射光经A0 exp(j(2πFt1+θ))、A1 exp(j(2πFt1+θ))与各自的环形器分别返回到光电转换设备的通道1和通道2，对应各自监测场景相应位置，经过光电转换设备将光信号转换为模拟信号
t1代表快时间域、t2代表慢时间域；
S3、双通道m组光脉冲回波经模数转换器、数据采集模块沿列去均值化后得到两组数据矩阵：
将第一组矩阵水平翻转：
与第二组矩阵按行拼接：
依据不同监测区域，如场站、过马路管道、土埋管道等，将Β分割为不同矩阵：
根据脉冲发射频率以及不同监测区域信噪比情况，设计对应区域满足对称条件的m-1阶线性相位FIR数字Ι型带通滤波器组(h1[m] h2[m] … hi[m])。将相应矩阵按列过相应滤波器得到滤波后矩阵：
S4、根据燃气安防实际需求，选取基于场站周界安防的翻越围栏监测振动事件以及基于管道周界安防要求的人工挖掘、机械挖掘、车辆碾压、燃气泄露、定向钻振动等事件，各采集相关数据，并标注对应标签，各自重复步骤S3得到原始数据集；
S5、原始数据集的距离-时间域Βi(x,t)经二维傅里叶得到频率-波数域F(f,k)即：
根据不同振动事件频率-波数域特性确定α，设计二维凯塞窗：
过滤噪声、选取特征频率后经二维傅里叶反变换生成数字图像，得到最终数据集，并将数据集分为训练集、测试集、验证集；
S6、设计特征提取网络，将图像以及振动事件产生在图像内的位置坐标作为输入，一维数组(包括事件种类、所在图像相对位置)作为输出，损失函数包括物体识别准确度与相对位置偏差的加权和。使用反向传播方法对训练集、测试集数据进行训练，用验证集测试训练好的模型，得到查准率、查全率和相对位置偏差度性能参数；
S7、重复训练网络，选取性能参数相对较好的模型，当新来一组数据经前五步信号处理后，经模式识别网络实现对振动事件以及振动位置的判断并将振动数据传至联动系统模块，由系统联动模块调取摄像机同步截取图像对比入库。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、使用HDPE套管包裹多芯单模光缆，并将其铺设在管道以及场站待监测区域；
S2、通过管路设计搭建分布式光纤传感系统；
S3、双通道多组光脉冲回波信号经矩阵翻转、拼接、分割为i组不同矩阵，设计线性相位FIR数字滤波器组；
S4、选取6种振动等事件采集相关数据，并标注，经数据处理以及二维凯塞窗函数过滤噪声、选取特征频率后经二维傅里叶反变换生成最终图像数据集；
S5、通过特征提取网络、分类器、损失函数，使用反向传播方法训练模型；
S6、新进数据经以上信号处理和模式识别步骤识别得到振动事件以及振动位置，并传至联动系统模块，由系统联动模块调取摄像机同步截取图像对比入库。
2.根据权利要求1所述的一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，其特征在于：所述步骤S1中，被HDPE套管包裹的多芯单模光缆铺设在待监测管道的正上方30cm处，距离地表约1m处，覆土填埋，预留光缆井中的光缆用塑料泡沫、海绵做好防震；将多芯单模光缆铺设在场站四周围栏上或围栏土层下方10cm处，一端接入分布式光纤传感系统，另一端连接管道光缆。
3.根据权利要求1所述的一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，其特征在于：所述步骤S2中搭建分布式光纤传感系统具体为：泵浦激光器通过G.652.D光缆向外发出相参激光；时钟控制模块连接控制声光调制驱动器；有声光调制驱动器控制声光调制器移频；掺铒光纤放大器提高调制光功率；后向瑞利散射光分别返回到光电转换设备的通道1和通道2；光电转换设备将光信号转换为模拟信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，其特征在于：所述步骤S3，采集信号处理双通道m组光脉冲回波经矩阵翻转、拼接、分割为i组不同矩阵；根据不同检测区域实际情况，设计对应区域满足对称条件的m-1阶线性相位FIR数字型贷通滤波器组，将相应矩阵过滤波器组。
5.根据权利要求1所述的一种基于双通道φ-OTDR地埋光缆分布式振动识别方法，其特征在于：所述步骤S4，振动数据采集处理，根据燃气安防实际需求，选取6中振动等时间采集相关数据，并标注；将采集数据过步骤S4后，再经二维傅里叶变换，根据振动特性设计二维凯塞窗函数过滤噪声、选取特征频率后经二维傅里叶反变换生成数字图像，得到最终数据集。
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